1 Fe-C-System, Abkühlungskurven, Gefügebilder

Gegeben ist das Zustandsdiagramm des metastabilen Eisen-Kohlenstoff-Systems.

0 1 2 3 4 5 6 %C

T [°C]

1400

1600

1200

1000

800

600

400

200

0

γ

δ

α

S

γ+ Fe C3

γ+ S

δ+ S

α γ+

δ γ+ S+ Fe C3

α+ Fe C3

723 °C

911 °C

1392 °C

1536 °C 1493 °C

1147 °C

0.02%

0.006%

0.8%

2.06% 4.3%

0.2%

0.6%0.1%

Für einen Werkstoff mit 5.5% C werden gesucht:

a) Die Abkühlungskurve mit Beschriftung.

b) Gefügebilder mit Beschriftung bei den Temperaturen 1150°C, 1140°C, 730°C,

720°C.

c) Wieviel Fe3Cpr enthält der Werkstoff bei Raumtemperatur?

T=1140°C T=1150°C T=720°C T=730°C

Prüfungsaufgaben mit Lösungen Serie 5: Eisen/Stahl

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2 Stahlerzeugung 7 Punkte Wie wird Stahl aus Erzen gewonnen? Beschreiben Sie die Verfahrenstechnik und die zugehörigen Einrichtungen inklusive deren Aufbau.

Prüfungsaufgaben mit Lösungen Serie 5: Eisen/Stahl

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3 Fe-Fe3C-System 5 Punkte Betrachtet wird das metastabile Eisen-Kohlenstoff-System. a) Warum heisst es „metastabil“?b) Gibt es ein stabiles Eisen-Kohlenstoff-System, wenn ja, was ist daran charakteristisch?c) Was ist Ledeburit I, bei welcher Temperatur entsteht er und woraus?d) Bei welcher Temperatur verschwindet Ledeburit I und wie?

Prüfungsaufgaben mit Lösungen Serie 5: Eisen/Stahl

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4 Eisenwerkstoffe Gefügebilder 6 Punkte

Gegeben sind drei Schliffbilder von Eisenwerkstoffen bei Raumtemperatur.

a) Welchen Kohlenstoffgehalt haben die einzelnen Werkstoffe etwa?

b) Welches sind die erkennbaren Gefügearten, aus welchen Phasen setzen sie sich zusammen?

Markieren und beschriften Sie diese.

S1

S2

S3

Prüfungsaufgaben mit Lösungen Serie 5: Eisen/Stahl

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5 Fe-Fe3C-System 17 Punkte Gegeben ist das Fe-Fe3C-Phasendiagramm.

a) Beschriften Sie die Felder mit den Phasenbezeichnungenb) Beschriften Sie die Eutektikale und die Eutektoidale je mit ihrer Temperatur und schreiben sie

die Komponentengehalte der dort miteinander im Gleichgewicht stehenden Phasen an.c) Zeichnen und beschriften Sie eine Abkühlungskurve für einen Eisenwerkstoff K mit 3.5% C:d) Wie groß ist der Perlitgehalt von K insgesamt bei 0°C?e) In welchem Bereich des Kohlenstoffgehaltes liegen Eisenwerkstoffe, welche Sekundärzementit

ausscheiden (auch wenn der Sekundärzementit im Gefüge nicht deutlich sichtbar ist)?

Prüfungsaufgaben mit Lösungen Serie 5: Eisen/Stahl

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1 Fe-C-System, Abkühlungskurven, Gefügebilder

Gegeben ist das Zustandsdiagramm des metastabilen Eisen-Kohlenstoff-Systems.

0 1 2 3 4 5 6 %C

S+ Fe C3 S→Fe3C oder S→ Fe3Cpr

α→Fe3C oder α → Fe3Ctert

A: S→ γe+Fe3Ce

γ→Fe3C oder γ → Fe3Csek

B

A

T [°C]

1400

1600

1200

1000

800

600

400

200

0

γ

δ

α

S

γ+ Fe C3

γ+ S

δ+ S

α γ+

δ γ+

α+ Fe C3

723 °C

911 °C

1392 °C

1536 °C 1493 °C

1147 °C

0.02%

0.006%

0.8%

2.06% 4.3%

0.2%

0.6%0.1%

B: γ→ αed+Fe3Ced (oder Perlit) Für einen Werkstoff mit 5.5% C werden gesucht:

a) Die Abkühlungskurve mit Beschriftung.

b) Gefügebilder mit Beschriftung bei den Temperaturen 1150°C, 1140°C, 730°C, 720°C.

c) Wieviel Fe3Cpr enthält der Werkstoff bei Raumtemperatur?

Lösung: a) Abkühlungskurve: Siehe Diagrammb) Gefügebilder: Siehe untenc) Unmittelbar oberhalb der eutektischen Temperatur besteht die Legierung aus

%6.503.467.6

3.45.5=

−−

Primärzementit und 49.4% Schmelze.

Der Primärzementitanteil, Fe3Cpr, bei Raumtemperatur ist gleich gross: 50.6%

T=1140°C T=1150°C T=720°C T=730°C

Fe3Cpr Fe3Ce

Perlit

Wie bei 1140ºC, Sekundärzementit nicht als Gefügebestandteil erkennbar.

γe Fe3Ce

Fe3Cpr

S

Fe3Cpr

Ledeburit II Ledeburit I

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2 Stahlerzeugung 7 Punkte Wie wird Stahl aus Erzen gewonnen? Beschreiben Sie die Verfahrenstechnik und die zugehörigen Einrichtungen inklusive deren Aufbau.

Lösung Im Hochofen werden Eisenerze (das sind Eisenoxide) (ev. pelletiert) durch Zugabe von Kohlenstoff (Koks) reduziert, es entsteht flüssiges Roheisen. Teile des Hochofens sind von oben nach unten: Gicht, Schacht, Rast, Ringleitung und Gestell.

Das Roheisen wird im Konverter zu Stahl verarbeitet, indem durch das Sauerstoffaufblasverfahren und durch Zugabe von Hilfsstoffen der Fremdstoffgehalt reduziert wird. (Die ablaufenden Prozesse werden durch die Schlacke beeinflusst)

14x0.5 {7}7

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3 Fe-Fe3C-System 5 Punkte Betrachtet wird das metastabile Eisen-Kohlenstoff-System. a) Warum heisst es „metastabil“?b) Gibt es ein stabiles Eisen-Kohlenstoff-System, wenn ja, was ist daran charakteristisch?c) Was ist Ledeburit I, bei welcher Temperatur entsteht er und woraus?d) Bei welcher Temperatur verschwindet Ledeburit I und wie?

Lösung a) Es heisst metastabil, weil der Kohlenstoff (soweit er nicht im Eisen gelöst ist) als Fe3C

(intermetallische Verbindung, Eisenkarbid) auftritt. Dieser Zustand entspricht nicht dergeringsten freien Enthalpie. Es braucht eine Aktivierungsenergie, um einen Potentialberg zuüberwinden und das Energieminimum zu erreichen. {1}1

b) Es gibt ein stabiles Eisen-Kohlenstoff-System. Der Kohlenstoff tritt als Graphit auf, (soweit ernicht im Eisen gelöst ist). {1}2

c) Ledeburit I ist das eutektische Gefüge des metastabilen Eisen-Kohlenstoff-Systems, es bestehtaus eutektischem Austenit γ und aus eutektischem Fe3C (Zementit) und, mit zunehmenderAbkühlung, aus Sekundärzementit. Ledeburit I entsteht bei 1147°C aus Schmelze miteutektischer Zusammensetzung. 4x {0.5}4

d) Bei 723°C „verschwindet“ Ledeburit I, er wird zu Ledeburit II, indem der eutektische Austenit inPerlit umwandelt. {1}5

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4 Eisenwerkstoffe Gefügebilder 6 Punkte

Gegeben sind drei Schliffbilder von Eisenwerkstoffen bei Raumtemperatur.

a) Welchen Kohlenstoffgehalt haben die einzelnen Werkstoffe etwa?

b) Welches sind die erkennbaren Gefügearten, aus welchen Phasen setzen sie sich zusammen?

Markieren und beschriften Sie diese.

S1 wC=0.8

S2 2.06 <wC<4.3

S3 4.3 <wC<6.67

Kohlenstoffgehalt (soll innerhalb der angegebenen Grenzen liegen): 3*{0.5}1.5 Pro Teilgefüge (Perlit, Ledeburit): 5*{0.5}4 Gefügedetaillierung, pro Phase maximal 8*{0.25}6

Perlit aus γpr (=αed + Fe3Ced)

(Fe3Csek aus γpr) + Ledeburit II (= Fe3Csek aus γe

+Perlit aus γe (=αed + Fe3Ced)+Fe3Ce)

Perlit aus γpr (=αed + Fe3Ced)

Fe3Cpr

Ledeburit II

Lösung

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5 Fe-Fe3C-System 17 Punkte Gegeben ist das Fe-Fe3C-Phasendiagramm.

a) Beschriften Sie die Felder mit den Phasenbezeichnungenb) Beschriften Sie die Eutektikale und die Eutektoidale je mit ihrer Temperatur und schreiben sie

die Komponentengehalte der dort miteinander im Gleichgewicht stehenden Phasen an.c) Zeichnen und beschriften Sie eine Abkühlungskurve für einen Eisenwerkstoff K mit 3.5% C:d) Wie groß ist der Perlitgehalt von K insgesamt bei 0°C?e) In welchem Bereich des Kohlenstoffgehaltes liegen Eisenwerkstoffe, welche Sekundärzementit

ausscheiden (auch wenn der Sekundärzementit im Gefüge nicht deutlich sichtbar ist)?

Lösung a) 12x{0.5}6 b) 8x {0.5}10 c) Graphik 5x{0.5}12.5

Schrift 5x{0.5}15

d) Hebelgesetz: . .. . 0.54 54% (auch Perl. im Led.II)

Formel {0.5}15.5 Wert {0.5}16 e) Bedingung für Ausscheidung von Sekundärzementit: 0.8% 6.67% {1}17

(für 2.06% 6.67% entsteht eutektischer Austenit γ)

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